本實用新型涉及一種虛擬現(xiàn)實頭盔中的光學結(jié)構，尤其涉及了一種用于虛擬現(xiàn)實頭盔的降低畸變與色散的光學結(jié)構。
背景技術：
：虛擬現(xiàn)實技術(VirtualReality，VR)技術是20世紀80年代提出的一種利用計算機生成的、可交互的、具有沉浸感的視覺虛擬環(huán)境，可以按照需要生成多種虛擬環(huán)境，廣泛應用于城市規(guī)劃，駕駛培訓，室內(nèi)設計等領域。近年來隨著計算機計算能力與各類型傳感器的發(fā)展，各類型的虛擬現(xiàn)實頭盔已出現(xiàn)于市場上，其基本由顯示屏或手機以及一對目鏡組成，人眼通過目鏡可以看到屏幕上放大的圖像，傳感器感應人頭部的變化調(diào)整左右屏幕中的圖像，使得人眼能看到立體的，具有交互性的視覺圖像。目前市場上虛擬現(xiàn)實頭盔的光學結(jié)構基本都是人眼，鏡片和屏幕三者法線共線，鏡片一般都是單鏡片式的，圖像邊緣往往不夠清晰，并且隨著視角的增大，邊緣的畸變和色散會越來越大，目前絕大多數(shù)采用計算機反色散和反畸變補償?shù)姆椒▉斫档瓦@兩種像差的影響，但這會造成計算機顯卡性能要求的提升，且邊緣模糊程度改善不高，因此最佳的方法是在鏡片層面就盡可能消除。技術實現(xiàn)要素：為了解決
背景技術：
中存在的問題，本實用新型提供了一種用于虛擬現(xiàn)實頭盔的降低畸變與色散的光學結(jié)構，采用緊貼屏幕的鏡片，來降低整體光學系統(tǒng)畸變和色散，用于虛擬現(xiàn)實場景的呈現(xiàn)，形成能校正畸變和補償色散的目視光學系統(tǒng)。本實用新型采用的技術方案如下：所述光學結(jié)構包括左右兩組結(jié)構完全相同對稱布置的光學系統(tǒng)，每組光學系統(tǒng)包括鏡筒以及安裝在鏡筒內(nèi)的沿人眼視線方向共軸心并依次布置的雙凸光學鏡片、內(nèi)凹光學鏡片和顯示屏，雙凸光學鏡片位于人眼前方，內(nèi)凹光學鏡片置于雙凸光學鏡片前方，內(nèi)凹光學鏡片的兩端光學面分別為一平面和一凹面，顯示屏發(fā)光表面與內(nèi)凹光學鏡片的平面相貼，內(nèi)凹光學鏡片的凹面朝向雙凸光學鏡片，顯示屏發(fā)出的光線依次經(jīng)過內(nèi)凹光學鏡片與雙凸光學透鏡折射后進入人眼。所述的顯示屏表面與內(nèi)凹光學鏡片的平面之間的間隙為0-5mm，使得內(nèi)凹光學鏡片平面緊貼在顯示屏表面，并且內(nèi)凹光學鏡片的平面完全覆蓋顯示屏的屏幕可視區(qū)域。所述兩組光學系統(tǒng)沿垂直于人眼視線方向平行布置，并固定在各自的瞳距調(diào)節(jié)支架上，兩個瞳距調(diào)節(jié)支架連接在左右屏連接導軌中沿導軌方向水平移動以調(diào)節(jié)兩組光學系統(tǒng)之間的間距，左右屏連接導軌垂直于人眼視線方向。所述雙凸光學透鏡通過屈光度調(diào)節(jié)滑塊連接到鏡筒內(nèi)壁的導軌上，使得屈光度調(diào)節(jié)滑塊雙凸光學透鏡沿著人眼視線方向移動，導軌沿人眼視線方向，屈光度調(diào)節(jié)滑塊在導軌上滑動也是沿人眼視線方向。由此左右兩組光學系統(tǒng)靠近或分離以適應不同瞳距的人眼，同時顯示屏可前后移動，用以適應不同視力的人眼。所述雙凸光學鏡片具有正的光焦度，焦距為30mm～60mm，兩表面均為外凸的非球面，外輪廓為矩形或圓形，口徑為35mm～55mm，中心厚度為8mm～15mm，材料為塑料或玻璃，折射率為1.4～1.7，色散系數(shù)為50～60。所述內(nèi)凹光學鏡片具有負的光焦度，焦距為-50mm～-70mm，凹面為內(nèi)凹的非球面，外輪廓為矩形或圓形，口徑為55mm×55mm～75×75mm，中心厚度為1mm～3mm，材料為塑料或玻璃，折射率為1.6～1.8，色散系數(shù)為20～40?？趶街傅氖晴R片外輪廓最大直徑，若外輪廓為圓形，則口徑為圓形的直徑；若外輪廓為矩形，則口徑為矩形的對角線長。所述兩組光學系統(tǒng)中的雙凸光學鏡片通過屈光度調(diào)節(jié)滑塊同時或分別沿著人眼視線方向移動。本實用新型的有益效果是：1.本實用新型光學系統(tǒng)使用雙鏡片實現(xiàn)了畸變的校正與色散的補償，可以降低對計算機處理能力的壓力。2.本實用新型光學系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)邊緣圖像的成像質(zhì)量，使用戶看到的圖像更為清晰。附圖說明圖1是本實用新型頭盔的外觀示意圖。圖2是本實用新型俯視剖面結(jié)構圖。圖3是本實用新型任意一側(cè)光路圖。圖4是本實用新型光學結(jié)構的立體側(cè)視圖。圖5是本實用新型在波長為486nm入射光入射時不同視場處的點列圖。圖6是本實用新型在波長為587nm入射光入射時不同視場處的點列圖。圖7是本實用新型在波長為656nm入射光入射時不同視場處的點列圖。圖8是本實用新型實施例的光學畸變圖。圖9是本實用新型實施例的畸變網(wǎng)格圖。表1是本實用新型在波長為486nm入射光入射時不同視場處的光斑均方根值和光斑位置表2是本實用新型在波長為587nm入射光入射時不同視場處的光斑均方根值和光斑位置表3是本實用新型在波長為656nm入射光入射時不同視場處的光斑均方根值和光斑位置圖中：顯示屏1、內(nèi)凹光學鏡片2、雙凸光學鏡片3、人眼4、瞳距調(diào)節(jié)支架5、左右屏連接導軌6、屈光度調(diào)節(jié)滑塊7、鏡筒8。具體實施方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，本實用新型光學結(jié)構包括左右兩組結(jié)構完全相同對稱布置的光學系統(tǒng)，每組光學系統(tǒng)包括鏡筒8以及安裝在鏡筒8內(nèi)的沿人眼視線方向共軸心并依次布置的雙凸光學鏡片3、內(nèi)凹光學鏡片2和顯示屏1，雙凸光學鏡片3位于人眼4前方，內(nèi)凹光學鏡片2置于雙凸光學鏡片3前方，內(nèi)凹光學鏡片2的兩端光學面分別為一平面和一凹面，顯示屏1發(fā)光表面與內(nèi)凹光學鏡片2的平面相貼，內(nèi)凹光學鏡片2的凹面朝向雙凸光學鏡片3，顯示屏1發(fā)出的光線依次經(jīng)過內(nèi)凹光學鏡片2與雙凸光學透鏡3折射后進入人眼4。如圖2所示，左右兩組光學系統(tǒng)的透鏡均可沿人眼方向水平布置，每組光學系統(tǒng)中，瞳距調(diào)節(jié)支架5可以在左右屏連接導軌6中沿導軌方向水平移動，左右屏連接導軌6垂直于人眼4的視線方向。雙凸光學鏡片3安裝在屈光度調(diào)節(jié)滑塊7中，屈光度調(diào)節(jié)滑塊7的外側(cè)連接到鏡筒8內(nèi)壁的導軌上，使得屈光度調(diào)節(jié)滑塊7可沿著人眼4的視線方向的導軌前后移動。兩組光學系統(tǒng)中的顯示屏1與內(nèi)凹光學鏡片2的平面一側(cè)完全平行，可完全貼合或僅有微小的空氣間隔，之間間隙僅允許為0-5mm，如圖2所示為完全貼合的結(jié)構，且內(nèi)凹光學鏡片2可完全覆蓋顯示屏1的可視區(qū)域。如圖3所示，為本實用新型一側(cè)的光路結(jié)構的側(cè)視圖，光線從顯示器1上發(fā)出之后，直接進入內(nèi)凹光學鏡片2的平面一側(cè)，再經(jīng)內(nèi)凹光學鏡片2的非球面一側(cè)折射后穿出，經(jīng)過兩個鏡片之間的空氣層后進入內(nèi)凹光學鏡片2，再經(jīng)過兩次折射后穿出鏡片，進入人眼4，使用者可看到顯示屏1上放大的圖像。內(nèi)凹光學鏡片2的靠近顯示屏1的一側(cè)為平面，緊貼顯示屏1發(fā)光的一側(cè)，也可有0～5mm的空氣間隔，但屏幕與內(nèi)凹光學鏡片2必須保持平行；內(nèi)凹光學鏡片2的外輪廓可以是圓形的活矩形的，但都需要可以覆蓋顯示屏1上的可視區(qū)域，尺寸為50mm×50mm至80mm×80mm；內(nèi)凹光學鏡片2的中心厚度為1mm～5mm；焦距為-40mm～-80mm；所用材料為高折射率，高色散的光學塑料或光學玻璃，表面可鍍有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜層，其結(jié)構可以是單鏡片或是膠合透鏡，也可以是多鏡片組，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼爾面，也可以是幾種面型的組合。雙凸光學鏡片3的兩面均為凸面，輪廓為圓形，也可以是矩形，尺寸為直徑30mm～60mm；中心厚度為3mm～15mm；焦距為30mm～60mm；所用材料可采用低色散的光學塑料或光學玻璃。兩表面可鍍有增透膜，硬化膜，防水膜等功能性膜層，其結(jié)構可以是單鏡片或是膠合透鏡，也可以是多鏡片組，表面面型可以是球面、非球面或是菲尼爾組合，也可以是幾種面型的組合。內(nèi)凹光學鏡片2與雙凸光學鏡片3同軸排列，相距一定的距離，內(nèi)凹光學鏡片2可沿著光軸前后移動，調(diào)整的距離在0mm～20mm之間，用以調(diào)整光學系統(tǒng)的屈光度，使近視或遠視的使用者也能看到顯示屏上清晰的圖像；兩者組合焦距為30mm～60mm，人眼在靠近雙凸光學鏡片3的一側(cè)可以看到顯示屏1上放大的圖像，可視角度為80°～120°。左右兩組相同的光學系統(tǒng)可以靠近或遠離，調(diào)節(jié)范圍為0mm～15mm，用以調(diào)節(jié)不同人之間的瞳距差異，使不同的瞳距的人都可以舒適的使用本虛擬現(xiàn)實頭盔。顯示屏1采用高分辨率的LCD或OLED平面顯示屏，優(yōu)選的采用分辨率高于FHD的低響應時間OLED平面顯示屏。本實用新型的實施例及其具體實施工作過程如下：如圖4所示，內(nèi)凹光學鏡片2采用一面為平面一面為非球面，是具有負光焦度的連續(xù)曲面，材料為光學塑料PC，表面鍍有增透膜，平面一側(cè)俞顯示屏1緊貼，剛好覆蓋所屬一側(cè)的顯示屏1，輪廓為矩形。雙凸光學鏡片3的兩面均為非球面，是具有正光焦度的連續(xù)曲面，材料為光學塑料PMMA，兩側(cè)均鍍有增透膜，輪廓為圓形。內(nèi)凹光學鏡片2與雙凸光學鏡片3組成的光學系統(tǒng)具有正的光焦度，焦距為25mm～60mm，相對孔徑即光圈為f/2～f/5.6，單眼對角線視場角為80°～120°，可覆蓋2.5寸～4寸的顯示屏1。非球面的計算公式如下：其中，z為矢高，r為非球面頂點到非球面上任意一點的距離，c為曲率，k為錐面系數(shù)，A1～A5···AN分別為第一、第二、第三、第四、第五、···、第N非球面系數(shù)，N為正整數(shù)，A1到AN項數(shù)任意，取值任意。具體的實施例中，兩鏡片均為整體的單鏡片結(jié)構，其中：內(nèi)凹光學鏡片2尺寸為72mm×72mm，中心厚度為2mm，焦距為-58.8mm，材料為PC，其非球面系數(shù)為：c＝-0.028825，k＝-3.402，A4＝1.756569E-006，A6＝5.80938E-010，A8＝2.74757E-013，其余系數(shù)為0。雙凸光學鏡片3口徑為40mm，中心厚度為10.8mm，焦距為27.2mm，材料為PMMA?？拷搜鄣姆乔蛎嫦禂?shù)為：c＝-0.03362，k＝0，A4＝1.1013E-005，A6＝--2.6276E-08，A8＝1.83492E-011，其余為0。遠離人眼的面非球面系數(shù)為：c＝-0.0462，k＝-7.439，A4＝-6.4105E-005，A6＝1.6641E-08，A8＝-1.9376E-010，其余為0。鏡片中心距離人眼4的中心距離為10mm，正常視力人使用時，兩鏡片之間的中心距為40mm，顯示屏為1的尺寸大小為2.9英寸的3：2的1080pOLED顯示屏。整個光學系統(tǒng)的焦距為21.43mm，相對孔徑為f/4.3。左右兩套光學系統(tǒng)可以在正常瞳距63mm位置出左右移動距離為5mm，兩套光學系統(tǒng)可分辨前后移動屏幕，范圍為正常距離情況下，靠近移動10mm，可以使400度以內(nèi)的近視者均可以清楚看到屏幕上的內(nèi)容。圖5～圖7分別為入射光為波長為486nm，587nm，656nm入射時以不同的視場角0°，10°，20°，30°，40°和50°的視場處的點列圖，最大光斑直徑不超過0.1mm，且在可見光波段范圍內(nèi)可以很好的消除色差。如圖5～圖7分別為入射光波長為可見光波段的3個代表波長在屏幕上看到的光斑的形狀，三個波長分別為486nm，587nm和656nm。每張圖從左往右、從上往下分別為0°，10°，20°，30°，40°和50°這6個代表視角入射的平行光入射到屏幕上形成的光斑形狀，表1～表3分別為3個波長6視角的光斑直徑的均方根值和光斑中心位置(光斑中心到圖像中心的距離)，尺寸越小則表示成像清晰度越高。不同波長相同視角的光斑中心位置差別越小，則表示色差越小。從圖上可以看出，所有視場和波段的最大光斑直徑最大值都小于0.1mm，說明在可見光波段任何圖像位置都能看到清晰的圖像，不同波長相同視角的光斑中心位置差異都在0.1mm左右，說明圖像色差很小。表1表2視角(°)01020304050光斑直徑(mm)17.96435.05853.6568.0197.51475.378光斑中心位置(mm)08.15617.46927.04536.16544.31表3視角(°)01020304050光斑直徑(mm)2.24842.1971.26478.77663.79274.828光斑中心位置(mm)08.16917.49227.07836.21444.41本實施例光學系統(tǒng)的光學畸變?nèi)鐖D8所示，若曲線彎曲的程度越小，則畸變越小，從圖上可以看出，光學畸變整體的最大畸變量控制在10％以內(nèi)，且在最大視場處可以基本消除畸變。本實施例光學系統(tǒng)的畸變網(wǎng)格如圖9所示，網(wǎng)格為無畸變的理想圖像，X型的交叉點是網(wǎng)格交叉點在經(jīng)過光學系統(tǒng)后的實際位置，可見是略微突出的，需要一定的補償。由于畸變量不大，因此每個像素的錯位較小，需要差值恢復到無畸變所需的計算量也較小，與一般常見的鏡片相比，采用同樣的算法可降低20％～40％的計算量。此外，現(xiàn)有技術中由于軟件補償過是基于插值，因此過大的補償會導致圖像的模糊，而本實用新型的光學系統(tǒng)需要的軟件補償量較小，因此圖像清晰程度保持的也較好。由圖8和圖9可見，整體畸變可以控制在10％以內(nèi)，且在全視場處基本可以消除畸變，從網(wǎng)格畸變圖可以看出，在整個成像區(qū)域內(nèi)圖像變形不大，因此可以降低圖像質(zhì)量的損失。由上述實施例可以說明本實用新型在所采用技術方案下具有其突出顯著的技術效果。當前第1頁1 2 3